钢管混凝土支护技术在深部高应力巷道中的应用学习体会

文献概况与工程背景

陈杰发表于《现代矿业》2025年第41卷第10期的这篇论文，针对深部高应力巷道支护难度大、传统支护方式难以满足需求的工程难题，创新性地将钢管混凝土支架应用于巷道支护优化设计。该研究来源于晋能控股装备制造集团有限公司寺河煤矿的实际工程需求，具有鲜明的工程应用导向。

深部开采是煤矿资源接续和产能提升的必然趋势，但深部高应力环境给巷道支护带来了严峻挑战。随着埋深增加，围岩应力水平显著升高，变形量增大，初期变形速率加快，传统的锚网喷、U型钢支架等支护方式往往难以有效控制围岩变形，导致巷道失稳甚至冒顶事故。

从钢管制造与结构工程的视角来看，钢管混凝土支架的应用体现了钢管产品在矿山支护领域的新拓展。钢管混凝土结构兼具钢管的高强度、高刚度和混凝土的高抗压能力，同时钢管对核心混凝土施加的径向约束压力显著提高了混凝土的抗压强度和延性，这种协同效应使得钢管混凝土支架成为深部高应力巷道支护的理想选择。

原支护破坏特征分析

论文首先详细分析了某巷道在原支护条件下的破坏现象，总结出深部高应力巷道的典型破坏特征。这一分析过程体现了工程问题诊断的系统性思维：

这种破坏特征分析对于支护方案的优化设计具有直接的指导意义。变形量大意味着支护结构需要具备足够的刚度和承载力来限制围岩变形；初期变形速率大则要求支护结构具有良好的初期承载能力和快速安装能力；支护强度不足则明确指出需要提高支护结构的强度等级。

钢管混凝土支架的设计与荷载计算

支架结构形式

论文根据巷道实际断面，设计了直墙半圆拱加反底拱形的钢管混凝土支架。这一结构形式的选择体现了对深部高应力巷道受力特点的理解：

• 直墙半圆拱：拱形结构能够将顶部荷载通过拱效应传递到两侧拱脚，有效分散应力集中，适应顶板压力大的特点。
• 反底拱：在深部高应力条件下，底板同样承受较大的向上拱起力，反底拱的设计能够有效抵抗底鼓变形，实现巷道的全断面封闭支护。
• 钢管混凝土：钢管与混凝土的协同工作使得支架兼具高强度和良好的适应性，钢管提供抗拉和抗弯能力，混凝土提供抗压和耐磨能力。

荷载计算与承载力校核

论文对优化后的支护方式进行了荷载计算，结果表明优化支护方式所提供的承载力大于巷道所需承载力，能够有效满足深部高应力巷道的支护要求。

从钢管混凝土结构的力学原理来看，钢管混凝土支架的承载力来源于以下几个方面的贡献：

1. 钢管的承载贡献：钢管本身具有较高的屈服强度和抗弯刚度，能够独立承担部分围岩荷载。
2. 混凝土的承载贡献：混凝土在钢管约束下，其抗压强度和延性显著提高，成为主要的抗压承载材料。
3. 界面协同效应：钢管与混凝土之间的界面摩擦力传递了钢管与混凝土之间的相互作用力，实现了两者的协同工作。
4. 约束增强效应：钢管对混凝土施加的径向约束压力使混凝土处于三向受压状态，显著提高了混凝土的抗压强度和变形能力。

钢管混凝土支架的制造工艺考量

从钢管制造的角度来看，钢管混凝土支架的生产涉及以下关键工艺环节：

工程实践中的关键问题与对策

钢管与混凝土的界面处理

钢管混凝土支架的承载性能在很大程度上取决于钢管与混凝土之间的界面黏结质量。在实际施工中，需要关注以下问题：

• 钢管内壁处理：钢管内壁的镀锌层或防腐涂层可能影响钢管与混凝土之间的黏结性能，必要时需进行表面粗糙化处理或采用机械锚固措施。
• 混凝土浇筑工艺：钢管混凝土支架的混凝土浇筑需要在有限空间内完成，振动工艺的控制至关重要，既要确保混凝土密实，又要避免过度振动导致钢管变形。
• 收缩差异控制：钢管与混凝土的热膨胀系数和收缩率不同，长期服役中可能产生界面脱开，需要在设计阶段考虑适当的补偿措施。

施工顺序与工期控制

深部高应力巷道的支护施工面临时间窗口紧张的问题。钢管混凝土支架的施工需要考虑以下时序安排：

1. 临时支护：开挖后立即安装临时支护，控制初期变形。
2. 钢管支架安装：在临时支护保护下安装钢管支架骨架。
3. 混凝土浇筑：在钢管支架内浇筑混凝土，形成钢管混凝土支架。
4. 养护与拆除临时支护：混凝土达到设计强度后拆除临时支护。

经济性与可推广性

钢管混凝土支架相比传统支护方式，材料成本有所增加，但考虑到其提供的更高承载力和更长的使用寿命，全寿命周期经济性可能更具优势。在推广应用中，需要综合考虑以下因素：

• 钢管的采购与加工成本
• 混凝土的运输与浇筑成本
• 施工工期的影响
• 支护效果的提升带来的间接经济效益

学习心得与启示

这篇论文从工程实际出发，针对深部高应力巷道支护这一具体工程难题，提出了钢管混凝土支架的创新解决方案，体现了"问题导向、技术驱动、工程验证"的研究范式。从钢管制造行业的角度来看，该研究开辟了钢管产品在矿山支护领域的新应用方向，对于钢管企业的产品拓展和市场开发具有重要的参考价值。

该研究的最大价值在于将钢管混凝土结构这一成熟的结构工程理念引入矿山支护领域，并通过具体的工程设计验证了其可行性。钢管混凝土支架的高承载力和良好的适应性，使其成为深部高应力巷道支护的有力工具。

然而，在实际推广中，仍需关注以下问题：钢管混凝土支架的长期耐久性、地下潮湿环境对钢管腐蚀的影响、支架与围岩的协同工作机理、以及在不同地质条件下的适用性评估等。这些问题需要更多的现场试验和长期监测数据来支撑。

总体而言，该研究为深部高应力巷道支护提供了新的技术路径，也为钢管产品在矿山工程领域的应用拓展提供了有益的参考。随着深部开采的不断推进和钢管制造技术的持续进步，钢管混凝土支架在矿山支护中的应用前景将更加广阔。